Fonctions exponentielles de base a (a > 0)

Transcription

1 Chapitre 9 Fonctions eponentielles de base a a > 0) Sommaire 9.1 Activité Fonctions eponentielles de base a a > 0) Définition Propriétés algébriques Cas particulier : racines n-ièmes d un réel a a > 0) Étude des fonctions a a > 0) Eercices Activité Ma a placé le 1 er janvier un capital de 100 à intérêts composés à un tau annuel de 20 % 1. Il peut à tout moment retirer le capital augmenté des intérêts produits. On appelle C n le capital disponible le 1 er janvier de l année 2000+n. Ainsi C 0 = a) Déterminer C 1, C 2, C 3 et C 4. De quelle nature est la suite C n )? On précisera ses caractéristiques. b) Représenter la suite dans le repère de la figure 9.1 page suivante. On rappelle que la représentation graphique d une suite u n ) est le nuage constitué des points n ; u n ). Les points sont-ils alignés? 2. Le 1 er juin 2003, un imprévu oblige Ma à retirer l intégralité de son capital. La banque lui reverse alors sur son compte 189,29. Ma est surpris car ce montant ne lui semble correspondre à rien. Après renseignement, il apprend que la banque a transformé son tau annuel de 20 % en un tau mensuel équivalent. Ma n a pas bien compris mais n a pas osé insister et il vous demande d essayer de déterminer ce tau. a) Soit t un tau mensuel quelconque. i. Que devient un capital C placé à ce tau mensuel au bout d un an? ii. En déduire que le tau mensuel t appliqué par la banque est solution de l équation : 1+ t ) 12 = 1,2 100 iii. Déterminer alors une valeur approchée de t à 10 3 près et vérifier que ce tau donne bien la somme versée par la banque. b) Étienne, un ami de Ma, après avoir pris connaissance de votre travail, vous demande s il n y a pas plus simple. «En effet, regarde : au bout de trois ans, le capital de Ma est 100 1,2 3, au bout de quatre ans, il est de 100 1,2 4 et bien au bout de trois ans et demi, il doit être de 100 1,2 3,5. Non?» Julie est intriguée par la proposition d Étienne : «Je ne comprend pas ce que veut dire 1,2 eposant 3,5». «Moi non plus, répond Étienne, mais ça doit être un peu comme la fonction eponentielle sauf que ce n est pas e mais 1,2». i. Regarder, à la calculatrice, si le calcul proposé par Étienne donne la somme versée par la banque. ii. Écrire 1,2 3,5 sous la forme e β où β est un réel valeur eacte demandée). On rappelle que, pour tout réel a> 0, a= e ln a. 1. Les tau d intérêts sont en général plutôt de l ordre de 3 à 4 %, la situation de l activité est donc purement fictive. 127

2 9.2 Fonctions eponentielles de base a a > 0) Terminale ES iii. De la même manière, écrire 1,2 sous la forme e u) où u) est une fonction de et représenter cette fonction dans le repère de la figure 9.1. Que constate-t-on? FIGURE 9.1 Repère de l activité O Fonctions eponentielles de base a a> 0) Définition Définition 9.1. Soit a un réel strictement positif. On appelle fonction eponentielle de base a, la fonction f a notée parfois ep a ) définie sur R par : f a )=e lna) On a vu que pour tout entier n et tout réel a strictement positif, on avait n ln a = lna n ). On admettra que cela est vrai pour tout réel. Ainsi, pour tout réel, ln a= lna ), et e lna) = e lna ) = a. On a alors : Propriété 9.1. Soit a un réel strictement positif. Alors : f a )=e lna) = a Propriétés algébriques Les règles de calcul, connues dans le cas d eposants entiers, s étendent au eposants réels non entiers. On a alors : Propriété 9.2. Pour tous réels a et b strictements positifs et pour tous réels et y, on a : a +y = a a y a y = a a y a = 1 a a ) y = a y a b = ab) 128 http ://perpendiculaires.free.fr/

3 Terminale ES 9.2 Fonctions eponentielles de base a a > 0) Preuve. Toutes ces propriétés se démontrent en revenant à la définition a = e ln a. Ainsi : a +y = e +y)ln a = e ln a+y ln a = e ln a e y ln a = e lna ) e lna y ) = a a y. Les autres sont laissées en eercice au lecteur Cas particulier : racines n-ièmes d un réel a a> 0) Définition 9.2. Soit a un réel strictement positif et n un entier naturel non nul. Alors le nombre b = a 1 n nombre positif tel que b n = a. On l appelle la racine n-ième de a et on le note n a=a 1 n. est l unique Remarque. Dans le cas de la racine deuième, on retrouve la racine carrée et on peut omettre le 2 dans la notation 2 a. Eemple 9.1. Dans l activité au point 2a)ii, où t 0, on peut résoudre l équation de la manière suivante : 1+ t ) 12 = 1,2 1+ t = 12 1,2ou = 1, ) t 100 = 12 1, t = 100 ) 1,2 1 1, Étude des fonctions a a> 0) Lorsque a= 1, on a a = 1 = 1. La fonction est donc constante. On écartera ce cas trivial pour la suite. Ensemble de définition Comme a = e ln a, les fonctions epontielles de base a sont définies pour tout réel, donc sur R. Limites au bornes a = e ln a or ln a négatif ln a< 0 ln a< ln1 0< a< 1 on rappelle que a> 0) ; ln a nul a= 1 ; ln a positif ln a> 0 a> 1. Donc : si 0< a< 1, lim ln a= et lim + X ex = 0 + donc lim to+ a = 0 + lim ln a=+ et lim X + ex =+ donc lim to a =+ ; si a= 1, la fonction est constante, égale à 1 ; si a> 1, lim ln a=+ et lim + X + ex =+ donc lim + a =+ lim ln a= et lim X ex = 0 + donc lim a = 0 + Variations a = e ln a = e u) où u)= ln a et u )=ln a. Donc a est dérivable sur R et a ) = u )e u) = ln a e ln a = ln a a. Comme e X > 0, a ) est du signe de ln a vu ci-dessus). Les fonctions eponentielles de base a a> 0) sont donc : décroissantes quand 0< a< 1 ; constantes quand a= 1 ; croissantes quand a > 1. Tableau de variations Les tableau de variations page suivante résument les paragraphes qui précèdent. David ROBERT 129

4 9.2 Fonctions eponentielles de base a a > 0) Terminale ES TABLE 9.1 Tableau de variations et courbes 0< a< 1 a> ln a a a ln a a + a y = 0, y = 2,1 4 4 y = 0,75 y = 0, y = 1 =1 y = 1 =1 3 2,1 2 1 y = 1,25 y = 1.1 0, O O Courbes représentatives Trois types de courbes, donc, selon si 0< a < 1, si a = 1 ou si a > 1. Plusieurs eemples sont donnés sur la figure de la présente page. On remarquera que, pour tout réel a a> 0) : a 0 = 1 et donc toutes les courbes passent par le point 0; 1) ; a 1 = a et donc toutes les courbes passent par le point 1; a). Croissances comparées Le théorème suivant qu on admettra) règle les deu cas d indétermination : Théorème 9.3. Si a> 1 alors Si 0< a< 1 alors lim a lim + =. a =+. Remarque. Les cas suivants sont aussi des cas d indétermination : a lim + e avec a> 1 a lim e avec 0< a< 1 Cependant, en posant a = e ln a, il vient a e = forme indéterminée. e ln a e = e ln a = e ln a 1) dont les limites en l infini ne sont plus une Lien avec les suites géométriques On rappelle qu une suite géométrique est une suite définie par récurrence par son premier terme u 0 et la relation u n+1 = q u n où q est la raison de la suite. On a alors, pour tout entier naturel n : u n = u 0 q n. On a aussi : S n = u 0 + u 1 + +u n = u 0 1 qn+1 1 q = 1 er terme 1 qnombre de termes 1 q. 130 http ://perpendiculaires.free.fr/

5 Terminale ES 9.3 Eercices Propriété 9.4. Soit v n ) la suite géométrique de raison q > 0 et de premier terme v 0 > 0. Si 0< q < 1, v n ) est décroissante ; on parle de décroissance eponentielle. Si q = 1, v n ) est constante. Si q > 1, v n ) est croissante ; on parle de croissance eponentielle. 9.3 Eercices EXERCICE 9.1. Soit f et g les fonctions définies sur R par, respectivement : f )=3 et g )=0, Déterminer les limites de ces deu fonctions en+ et en. 2. Déterminer les variations de ces deu fonctions et dresser leur tableau de variations. 3. a) Afficher les courbes représentatives de ces deu fonctions sur la calculatrice. b) Conjecturer l eistence de points d intersection. c) Résoudre par le calcul l équation f ) = g ). EXERCICE 9.2. Une personne se demande en combien de temps son capital C 0 doublera en le laissant placé au tau annuels de t %. Calculer le temps qu il faut pour que le capital C 0 double dans chacun des cas suivants : t = 1 t = 2 t = 3 t = 5 t = 6 EXERCICE 9.3. Un banquier propose à son client un placement au tau annuel de 3,5 % sur 10 ans. On note S la somme obtenue par ce client au bout de 10 ans, s il souscrit ce placement. 1. Quel tau le client doit-il négocier avec son banquier pour obtenir au moins la même somme S en 7 ans et demi? 2. Quelques mois plus tard, le placement proposé par le banquier est au tau de 2,5 %. Pendant combien de temps le client devra-t-il placer le même capital pour obtenir la même somme? EXERCICE 9.4. Le CAC 40 est un indice de valeurs françaises, concernant les 40 plus importantes valeurs cotées à la bourse de Paris Michelin, France Télécom, Alcatel, etc.). Le Dow Jones est un équivalent à New York du CAC 40. Voici un etrait du Journal des Finances du 15 au 21 septembre : Cotations : Violente rechute par ROLAND LASKINE Après le choc du 11 septembre qui a fait plonger, mardi, toutes les places boursières mondiales, les investisseurs se sont ressaisis, refusant de céder au marasme ambiant. Vendredi, la crainte d une reprise des cotations en forte baisse à New York dès le début de la semaine prochaine a tétanisé les marchés. Ceu-ci sont de nouveau violemment repartis à la baisse en Europe. Les actions qui ont subi les plus fortes attaques ne sont pas les technologiques, mais des valeurs plus traditionnelles appartenant au secteur des assurances, des transports, du lue et des loisirs. Dès lundi, tous les yue seront braqués sur les trente valeurs de l indice Dow Jones, qui constitue le désormais baromètre de la tendance sur tous les marchés mondiau , , , , , C i représente l indice CAC 40 le 10+i) septembre i 4). Que valent C 0, C 1, C 2, C 3, C 4? 2. t i est le pourcentage de variation du CAC 40 du 10+i ) septembre au 11+i ) septembre i 3). Calculer t 0, t 1, t 2, t On appelle pourcentage journalier moyen de variation du cours du CAC 40, le pourcentage t j % tel que, si le cours du CAC 40 avait varié chaque jour de ce tau constant t j %, son cours serait encore C 4 le 14 septembre a) Vérifier que C 0 1+ t j 4= 100) C4. b) Calculer l arrondi au diième de t j. En donner une interprétation économique. David ROBERT 131

6 9.3 Eercices Terminale ES EXERCICE 9.5 Amérique du nord 2 005). Les deu questions sont indépendantes. Les résultats seront arrondis à Le gouvernement d un pays envisage de baisser un impôt de 30 % en cinq ans. 1. On suppose que le pourcentage de baisse est le même chaque année. Vérifier que ce pourcentage de baisse annuel est alors égal à environ 6,89 %. 2. La première année cet impôt baisse de 5 %, la deuième année la baisse est de 1 % et la troisième année de 3 %. a) Quelle est la baisse, en pourcentage, de cet impôt au terme de ces trois premières années? b) Pour atteindre son objectif, quel pourcentage annuel de baisse doit décider ce gouvernement, en supposant que ce pourcentage est le même sur les deu dernières années? EXERCICE 9.6. On prévoit qu une automobile, achetée neuve, subit une décote de 20 % la première année d utilisation, puis une nouvelle décote de 15 % la deuième année, et enfin une décote de 10 % chacune des années suivantes. 1. Une automobile est achetée neuve Quelle est sa valeur, à un euros près : a) au bout d un an ; b) au bout de 2 ans ; c) au bout de 4 ans. 2. Quel est le tau annuel moyen de décote si l automobiliste garde sa voiture 4 ans? 3. Une automobile achetée neuve au pri de P 0 en euros). On appelle P n la valeur de cette automobile, en euros, au bout de n années. a) Eprimer P n en fonction de P 0, lorsque n 3. b) Au bout de 4 ans, la valeur d une automobile est Quel était à l euro près, son pri initial? c) Quel est le plus petit entier n tel que : 0,68 0,9) n 2 0,5? Donner une interprétation de ce résultat. d) Une voiture a été achetée en l an À partir de quelle année, sa valeur sera-t-elle pour la première fois, inférieure ou égale à la moitié du pri neuf? EXERCICE 9.7. Le tableau suivant donne l évolution du pourcentage de logiciels piratés en France de à On désigne par le rang de l année et par y le pourcentage de logiciels piratés. année rang i pourcentage y i Représenter l ensemble des points M i i ; y i ) dans un repère orthogonal tel que : 0,5 cm représente un an sur l ae des abscisses ; 0,5 cm représente 5 % sur l ae des ordonnées. 2. Cette évolution est modélisée par la fonction f, définie sur [0;+ [ par f ) = 85,1150,905), où désigne le rang de l année, et y le pourcentage de logiciels piratés. a) Étudier le sens de variation de f. b) Représenter C, la courbe représentative de f, dans le même repère que celui utilisé au 1. c) Peut-on dire que le pourcentage de logiciels piratés en France de à a une décroissance eponentielle? Pourquoi? d) Donner une estimation du pourcentage de logiciels piratés en France en Vérifier graphiquement. EXERCICE 9.8 Remboursement d emprunt). Une somme C, empruntée au tau annuel t, est remboursée en n annuités A égales. La formule qui relie C, t, n et A est : 1 1+ t) n C = A t Monsieur X a emprunté la somme de au tau annuel de 7 %. Il peut effectuer ses remboursements : par annuités de ; Déterminer, dans chacun des deu cas, quel serait : 1. la durée de remboursement du prêt ; par annuités de la somme totale versée par Monsieur X pour rembourser son emprunt. 132 http ://perpendiculaires.free.fr/

7 Terminale ES 9.3 Eercices EXERCICE 9.9 Élasticité). Après une étude de marché, on a modélisé l offre f ) et la demande g ) d un produit en fonction de son pri unitaire, pour [1; 8] : f )=10 1,9 et g )=600 0,5, le pri unitaire étant eprimé en euros, et f ) et g ) donnant le nombre d objets offerts ou demandés en milliers. 1. Déterminer le pri d équilibre du produit. 2. a) Étudier le sens de variation de f, puis de g sur [1; 8]. b) Tracer les représentations graphiques de f et de g dans un même repère orthogonal. c) Vérifier graphiquement le pri d équilibre trouvé à la question On considère la fonction E f définie sur I par : E f )= f ) f ) où f désigne la fonction dérivée de f. Le nombre E f ) s appelle «élasticité de l offre par rapport au pri» ; on admet qu il indique le pourcentage de variation de l offre pour un accroissement de 1 % d un pri donné. E f ) est négatif lors d une diminution de l offre. a) Déterminer l élasticité-pri instantané de l offre en fonction du pri. b) Calculer cette élasticité pour un pri unitaire de 4. c) En donner une interprétation en terme de variation. 4. Mêmes questions pour l élasticité-pri de la demande. EXERCICE 9.10 Modèles démographiques et fonction eponentielle). Les deu parties sont indépendantes. Partie A. Croissance eponentielle ou modèle de MALTHUS On suppose qu une population évolue selon la loi Pt)=10 1,07 t où Pt) est la population au temps t. 1. Calculer P0). Quel est le sens de variation de la fonction P sur [0;+ [? 2. Calculer la croissance instantanée relative P t) P t) de cette population modélisée par P. 3. h désigne un réel quelconque. Démontrer que le rapport P t+h) P t) est indépendant de t. Calculer l intervalle de temps h nécessaire pour que la population P double. 4. Quelle est la limite de la fonction P en+? Partie B. Croissance «en S», dite sigmoïde, ou modèle de VERHULST On suppose qu une population évolue selon la loi N t)= ,07)t 999+1,07) t où N t) est la population au temps t. 1. Calculer N 0) sans utiliser de calculatrice. 2. a) Vérifier que, pour tout t, 1 Nt) = 0,09991,07) t + 0,0001. b) Donner le sens de variation de la fonction t 1,07) t, puis celui de la fonction t 1 Nt) sur [0;+ [. c) En déduire le sens de variation de la fonction N sur [0;+ [. 3. Étudier la limite de la fonction t 1 Nt) en+. En déduire la limite de la fonction N en+. 4. On note Ct)= N t) Nt) la croissance instantanée de cette population modélisée par N. On admet que le calcul donne Ct)=ln 1,07 ln 1, N t). a) Déduire le sens de varation de C sur [0;+ [ de celui de N. b) Calculer C0), C100), C200). 5. Le nombre de parasites d une plante évolue selon la loi N t)= ,07)t 999+1,07) t où t est le temps eprimé en jours. On choisit un repère orthogonal d unités 1 cm pour 10 jours sur l ae des abscisses et 1 cm pour parasites sur l ae des ordonnées. a) Tracer la courbe représentative de la fonction N sur [0; 200]. b) Tracer dans le même repère la courbe représentant la fonction P de la partie A qui donnerait le nombre de parasites pour une croissance relative instantanée constante, égale à C0). c) Utiliser le graphique pour répondre à la question suivante : Jusqu à quelle valeur approimative e t, la différence Pt) N t) reste-t-elle inférieure à 500? David ROBERT 133